آشنایی با سلول های فتوولتائیک

سلولهای فتوولتائیک [1] ، عناصری هستند که انرژی تابشی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل می­ کنند. به انرژی الکتریکی تولید شده توسط این سلولها، انرژی فتوولتائیک یا انرژی خورشیدی اطلاق می ­شود که جزء انرژی­های تجدیدپذیر پرکاربرد می­ باشد. سلول فتوولتائیک کوچکترین جزء تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی می ­باشد که ولتاژی در حدود 1.5 ولت و 6 آمپر جریان DC برای سلولهای مسطح ­تر و حدود 3 وات توان الکتریکی تولید می ­کند. چون ولتاژ مستقیم تولیدشده توسط سلول فتوولتائیک در سطح کوچکی می ­باشد، معمولاً تعدادی از آنها را به صورت سری بهم متصل می ­کنند تا رشته ای از آنها با مشخصه ولتاژ و توان بالاتر تشکیل شود. واحدهای بزرگتر، ماژول، رشته، پنل و آرایه خورشیدی هستند که هر یک بسته به سطح ولتاژ تولیدی موردنیاز در کاربرد موردنظر، مورد استفاده قرار می ­گیرند. ماژول خورشیدی، از موازی ­شدن تعدادی رشته سری از سلولهای فتوولتائیک بدست می ­آید و می ­تواند در قالب تعدادی ماژول سری­، موازی یا ترکیبی از هر دو برای سطوح ولتاژ و جریان بالاتر طراحی شود. در شکل (1) و (2) به ترتیب تصویری از یک سلول و ماژول خورشیدی نشان داده شده است.

شکل 1) سلول فتوولتائیک

شکل 2) ماژول خورشیدی

در مواردی که از ترانسفورماتور استفاده نمی ­شود، برای تطبیق و افزایش ولتاژ خروجی آرایه های PV با ولتاژ شبکه، تعدادی از ماژولهای مشابه را به صورت سری به هم متصل می­ کنند که این دسته ماژول را یک رشته [2] از ماژول­های فتوولتائیک می نامند. تصویری از یک رشته فتوولتائیک در شکل (3) نشان داده شده است.

شکل 3) رشته خورشیدی

مدل الکتریکی و معادله جریان – ولتاژ سلول فتوولتائیک

مدل مداری یک سلول فتوولتائیک مطابق شکل (4)  از یک منبع جریان، یک دیود و دو مقاومت سری و موازی تشکیل شده است. منبع جریان نشان دهنده میزان نور تابیده شده به سلول، دیود نمایانگر رفتار شبه دیودی دو قطعه نیمه هادی و مقاومت سری و موازی، نشان ­دهنده مقاومت سری و موازی پیوند نیمه هادی سلول هستند. معادله ریاضی توصیف­ کننده مشخصه I-V سلول فتوولتائیک ایده ­آل در شکل (4) به صورت زیر می ­باشد:

که در این رابطه Ipv,cell جریان تولیدشده توسط نور واقعی (متناسب با تابش[3] خورشید) و Id  معادله دیود شاکلی است. در معادله دیود شاکلی،  I0,cell جریان اشباع معکوس دیود، q بار الکترون و K ثابت بولتزمن می ­باشد.

شکل 4) مدل تک دیود سلول خورشیدی ایده آل و مدار معادل یک وسیله خورشیدی عملی

مدل الکتریکی و معادله جریان – ولتاژ آرایه فتوولتائیک

 معادله اساسی در قسمت قبل مربوط به یک سلول بود، اما در عمل سلولهای فتوولتائیک را به صورت اتصال سری و موازی بهم متصل می­ کنند تا سطح ولتاژ و/یا جریان افزایش یافته و به مقدار مطلوب برسد. بنابراین در این حالت معادله جریان – ولتاژ به صورت زیر خواهد بود.

که در این رابطه Ipv جریان فتوولتائیک (تابعی از سطح تابش)، I0 جریان اشباع معکوس و Vt ولتاژ گرمایی رشته ­ای از سلول (تابعی از دما) می­ باشد. همچنین Rs مقاومت معادل سری و Rp مقاومت معادل موازی مجموعه سلول­های فتوولتائیک می­ باشد.

در شکل (5) منحنی جریان – ولتاژ مربوط به معادله دوم نشان داده شده است. در این شکل، سه نقطه مهم وجود دارد که عبارتند از :

الف) نقطه مربوط به V_OC = حداکثر ولتاژی که یک سلول می ­تواند در جریان صفر فراهم کند (ولتاژ مدار باز نامی)

ب) نقطه مربوط به I_SC =  حداکثر جریانی که یک سلول می ­تواند در ولتاژ صفر فراهم کند (جریان اتصال کوتاه نامی)

ج) نقطه (Vmpp,Impp) = نقطه ­ای که در آن، بیشترین توان تولیدشده توسط سلول در ولتاژ Vmpp و جریان Impp بدست آورده می ­شود.

توجه می­ کنیم که ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه جزء مشخصات نامی آرایه سلولهای فتوولتائیک می ­باشد که توسط شرکت­های سازنده در قالب صفحه اطلاعات [4] محصول ارائه می­ گردد. معمولاً شرکت سازنده، منحنی­ های جریان – ولتاژی مربوط به آرایه فتوولتائیک را تحت شرایط تابش و دمای مختلف ارائه می ­دهد؛ به صورتیکه برای هر منحنی، نقطه مربوط به توان ماکزیمم قابل تعیین می ­باشد.

شکل 5) منحنی جریان – ولتاژ یک سلول فتوولتائیک عملی

ردیابی نقطه توان ماکزیمم سلول فتوولتائیک (MPPT) [5]

همانطور که در قسمت قبل اشاره شد، منحنی­ های جریان – ولتاژ آرایه­ای از سلولهای فتوولتائیک در شرایط دمایی یا سطح تابش مختلف تغییر می ­کند. در شکل (6) نمودار توان ولتاژ یک آرایه از سلولهای نمونه در شرایط تابش مختلف در دمای 25 درجه و شرایط دمایی مختلف در تابش 1000 وات بر مترمربع نشان داده شده است. نقاط قرمزرنگ موجود در منحنی ها، نقطه حداکثر توان آرایه را مشخص می ­کند. با تغییر در شرایط محیطی، این نقطه تغییر موقعیت خواهد داد و نقطه حداکثر توان جدیدی برای آرایه بوجود می ­آید. تغییر این نقطه در اثر تغییر شدت نور و دمای محیط، در صورت عدم ردیابی توسط سیستم کنترلی و مبدل های الکترونیک قدرت، باعث کاهش انرژی الکتریکی تولیدی و در نتیجه کاهش بازده سیستم فتوولتائیک خواهد شد. بنابراین برای دستیابی به این هدف، یعنی ردیابی نقطه توان ماکزیمم آرایه، باید از روشهای MPPT در سیستم کنترلی شامل آرایه ­ای از سلولها استفاده کرد.

هدف کلیه روش های MPPT، پیداکردن خودکار ولتاژ و جریان نقطه حداکثر توان آرایه (Impp, Vmpp) جهت قرار­دادن نقطه کار آرایه منطبق بر نقطه حداکثر توان آرایه (Pmpp) در مقادیر مختلف شدت نور و دمای محیط می باشد. با توجه به منحنی های خروجی ماژول ملاحظه می­ گردد که نقطه مربوط به حداکثر توان در تمام منحنی ­های رسم شده دارای خاصیت مهم dP/dV=0 می ­باشد. همچنین ولتاژ نقاطی که دارای خاصیت dP/dV<0 می ­باشند، کمتر از ولتاژ نقطه حداکثر توان آرایه Vmpp می ­باشد و ولتاژ نقاطی با خاصیت dP/dV>0  دارای ولتاژ بیشتری از ولتاژ نقطه حداکثر توان آرایه Vmpp می­ باشند. این دانش از رفتار خروجی ماژولهای PV ، اساس ردیابی نقطه حداکثر توان ماژول های فتوولتائیک می ­باشد.

الف) به ازای سطح تابش مختلف در دمای 25 درجه

ب) به ازای دماهای مختلف در سطح تابش 1000 وات بر مترمربع

شکل 6) منحنی­های توان – ولتاژ آرایه فتوولتائیک به ازای شرایط تابش یا دمای مختلف

تکنیک­های متفاوت و متنوعی مانند روش تپه بالارونده [6]، روش اختلال و آشفتگی [7] (P&O)، روش کندوکتانس افزایشی [8] (IC) و … برای استحصال حداکثر توان از منبع توان PV ارائه شده است. تمایز بین این تکنیک­ها، در ساده بودن، دقت، پاسخ زمانی، معروفیت، هزینه و جنبه ­های فنی دیگر می ­باشد. برای آشنایی با روش اختلال و آشفتگی این پست را ملاحظه فرمائید.

—————————————————————————————————————————–

معادل لاتین لغات:

[1] Photovoltaic

[2] String

Irradiation [3]

[4] Datasheet

[5] Maximum Power Point

[6] Climbing hill

[7] Perturbation & Observation

[8] Incremental Conductance